Mikro- und Makroskopische Veränderungen im Innern von Materialien filmen:
Die Skizze zeigt den Strahlverlauf durch die Probe an EDDI. Die Hochgeschwindigkeitskamera befindet sich über der Probe. © Marlen Paeplow/HZB
Die EDDI-Beamline an BESSY II leistet nun noch deutlich mehr: Seit Kurzem ist es möglich, auch hochaufgelöste dreidimensionale Bilder des mikroskopischen Aufbaus zu erhalten, und zwar mit einer Geschwindigkeit von bis zu vier Bildern pro Sekunde. Zeitgleich kann wie zuvor Röntgenbeugung (Energie-dispersive Diffraktion) durchgeführt werden, die Rückschlüsse auf die kristalline Struktur des Materials zulässt.
Die Beamline-Verantwortlichen Dr. Catalina Jiménez und Dr. Francisco García-Moreno haben diese Neuerung Ende 2013 vorgeschlagen und jetzt erfolgreich umgesetzt. Denn EDDI nutzt das komplette Energiespektrum der BESSY II-Röntgenpulse aus, um damit rasche Beugungsbilder der Proben zu erstellen, welche Aufschluss über den kristallinen Aufbau und den Abstand der Atome in der Probe geben.
Der neue Messkopf:
Ein Teil des Röntgenlichts geht dabei jedoch ungenutzt durch die Probe durch. Dieser Strahl kann nun über einen Szintillator-Kristall in sichtbares Licht umgewandelt und in einer Kamera aufgezeichnet werden. Durch Drehen der Probe erhält man dreidimensionale Abbildungen, die sogenannte Tomografie. Die Umsetzung war nicht trivial: So musste der Messkopf mit dem Szintillator-Kristall nahe der Probe Platz finden, ohne die Strahlführung der Diffraktion zu behindern. „Wir haben dafür eng mit der HZB-Werkstatt zusammengearbeitet“, berichtet García-Moreno.
Prozesse in Energiematerialien
Der Probentisch ist drehbar und besitzt Schleifkontakte, sodass zum Beispiel Batterien während des Ladeprozesses untersucht werden können. Auch gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Probe während der Messung aufzuheizen oder abzukühlen. „Damit können wir zum Beispiel beobachten, welche Veränderungen in Batterien beim Aufladen ablaufen, wie sich Wasserstoff in Stahl einlagert, aber auch viele andere Fragen an Energiematerialien untersuchen“, erklärt Catalina Jiménez.
Bis zu vier Tomografien pro Sekunde
Inzwischen hat das Team gezeigt, dass die Erweiterung sogar noch leistungsfähiger ist, als erwartet: „Wir sind ursprünglich davon ausgegangen, dass eine vollständige Tomografie einer Probe mehrere Sekunden dauert. Doch jetzt schaffen wir sogar gleichzeitig bis zu eine Tomografie und ein Diffraktionsspektrum pro Sekunde oder bis vier Tomografien pro Sekunde. Das heißt, wir können auch schnelle Veränderungen in Proben sehr gut beobachten, wir filmen sie und können sie mit den entsprechenden Phasen korrelieren“, sagt García-Moreno. Diese Option ist bereits in dem Userbetrieb aufgenommen worden und erste Nutzergruppen mit interessanten Fragestellungen haben sich schon angemeldet.
- Proteinkristallographie an BESSY II: Schneller, besser und automatischerViele Erkrankungen hängen mit Fehlfunktionen von Proteinen im Organismus zusammen. Die dreidimensionale Architektur dieser Moleküle ist oft äußerst komplex, liefert aber wertvolle Hinweise für das Verständnis von biologischen Prozessen und die Entwicklung von Medikamenten. Mit Röntgendiffraktion an den MX-Beamlines von BESSY II lässt sich die 3D Struktur von Proteinen entschlüsseln. Mehr als 5000 Strukturen sind bis heute an den drei MX-Beamlines von BESSY II gelöst worden. Ein Rückblick und Ausblick im Gespräch mit Manfred Weiss, dem Leiter der Makromolekularen Kristallographie.
- 5000. Proteinstruktur an BESSY II: Startpunkt für einen COVID-WirkstoffViele Proteine besitzen eine komplexe Architektur, die bestimmte biologische Funktionen ermöglicht. An manchen Stellen können Moleküle andocken und die Funktion des Proteins verändern. Ein Team am HZB hat nun das Nsp1-Protein untersucht, das bei der Infektion mit dem SARS-CoV-2-Virus eine Rolle spielt. Sie analysierten Proteinkristalle, die sie zuvor mit Molekülen aus einer Fragmentbibliothek versetzt hatten und entdeckten dabei insgesamt 21 Kandidaten als Startpunkte für die Medikamentenentwicklung. Gleichzeitig entschlüsselten sie damit auch die 5000. Struktur an BESSY II.
- Was die Zinkkonzentration in Zähnen verrätZähne sind Verbundstrukturen aus Mineralien und Proteinen, dabei besteht der Großteil des Zahns aus Dentin, einem knochenartigen, hochporösen Material. Diese Struktur macht Zähne sowohl stark als auch empfindlich. Neben Kalzium und Phosphat enthalten Zähne auch Spurenelemente wie Zink. Mit komplementären mikroskopischen Verfahren hat ein Team der Charité Berlin, der TU Berlin und des HZB die Verteilung von natürlichem Zink im Zahn ermittelt. Das Ergebnis: mit zunehmender Porosität des Dentins in Richtung Pulpa steigt die Zinkkonzentration um das 5- bis 10-fache. Diese Erkenntnis hilft, den Einfluss von zinkhaltigen Füllungen auf die Zahngesundheit besser zu verstehen und könnte Verbesserungen in der Zahnmedizin anstoßen.